Справочник по пайке

АДГЕЗИОННАЯ ПАЙКА

Пайка, при которой формируется адге­ зионный спай, называется адгезионной.

Адгезионный спай образуется в условиях, когда полностью исключены или сведены к минимуму процессы массообмена в области межфазных границ, в результате после кри­ сталлизации состав припоя практически не изменяется. Соединения адгезионного типа могут быть получены как при использовании в качестве припоев металлов, не образующих с паяемыми металлами растворов ни в твердом, ни в жидком состоянии, так и за счет снижения температуры и ограничения времени контакти­ рования твердой и жидкой фаз.

Формирование адгезионного соединения особенно важно, когда возможно образование хрупких ингерметаллидов в зоне спая. При проектировании технологического процесса формирования адгезионных соединений и при пайке в малых капиллярных зазорах необходи­ мо учитывать граничную кинетику растворе­ ния. Критерий оценки малости капиллярного зазора приведен ниже.

Ранее была рассмотрена чисто диффузи­ онная кинетика процесса растворения в зазоре, при которой предполагается, что в момент времени t = 0 на межфазной границе сразу ус­

танавливается профиль концентраций с,р, с\ ,

соответствующий равновесной диаграмме со­ стояний (рис. 6, а, б). В реальных условиях при / = 0 в контакте обычно находятся твердая фаза

А состава с,н и расплав В состава с ? , а кон­

центрационный профиль имеет вид ступени (рис. 6, в). При / > 0 на движущейся межфазной границе y(t) в процессе растворения начинает увеличиваться концентрация атомов А в рас­

плаве с2(/) I ,</) = с,(0 > с? Время достижения

на межфазной границе равновесной концен­

трации с, (/„) = с? определяет продолжитель­

ность протекания стадии граничной кинетики tгр = /в. При рассмотрении диффузионный по­ ток в твердую фазу и конвекцию расплава в капиллярном зазоре не учитывался. Такая по­ становка задачи помимо упрощения имеет са­ мостоятельный практический интерес [11].

Для нахождения неизвестных кинетиче­ ских параметров необходимо решить уравне­ ние диффузии для фазы 2 (жидкость):

При начальных и граничных условиях

с2(х. 0) =с2 : с2(х, /)|Г=И() =с,(1)\

г-1

и условии массобаланса на движущейся границе:

>’(/)

В данном случае имеются три неизвестные функции с2(х, /), c,(t) и у(/), для определения

которых необходимо задать еще одно условие. Под полным потоком растворения J будем подразумевать количество атомов твердой фа­ зы А, оторвавшихся от межфазной границы. Предполагаем, что механизм переноса вещест­ ва как в твердой, так и в жидкой фазах чисто диффузионный и не лимитируется отрывом атомов А от межфазной границы, что характерно для большинства металлических систем.

Условие непрерывности нестационарного потока в этом случае:

Таким образом, имеем систему уравнений для определения трех неизвестных кинетиче­

ских параметров с2(дг, /), сДО и y(t)

Рассмотрим приближенное решение. На первом этапе растворения (t < /Д распределе­ ние концентрации аппроксимируем полиномом

С,(Х,

1,5 < Л7< 3,

где Р (м'2 с’1) - удельный граничный диффу­ зионный поток; J (г • м с"1) имеет смысл пото­ ка при единичной разности концентраций на y(t) ; о (м3) - объем, приходящийся на один

атом, а Дсв =с% -сД /).

Исходя из весового вклада потоков J B и

J d , J можно представить в виде

где z(t) - фронт концентрационного возмуще­ ния, за которым отсутствует поток атомов А, определяемый следующим образом:

с(д-, 0 = ^ 2 ПРИ z(t)< x< l;

дс(х, I)

Уравнение диффузии заменим интеграль­ ным условием концентрационного баланса

ничной кинетики растворения в малых зазорах рассмотрены в [12]. Установлена сложная зави­ симость времени завершения граничной кинети­ ки Т| от растворимости е и величины зазора ае.

РЕАКТИВНО-ФЛЮСОВАЯ ПАЙКА

Пайку, при которой припой образуется в результате восстановления металла из флюса или диссоциации одного из его компонентов, называют реактивно-флюсовой пайкой.

В состав флюсов при реактивно-флюсо­ вой пайке обычно входят легко восстанавли­ ваемые соединения. Образующиеся в результа­ те реакции металлы в расплавленном состоя­ нии служат элементами припоев, а их летучие компоненты создают защитную среду и могут также способствовать отделению оксидной пленки от поверхности. Химические реакции при этом способе пайки достаточно сложны.

Одной из основных является реакция вос­ становления металла из флюса, протекающая по следующей схеме:

Ме'„Хт + /Ме" о M e jx j, +иМ е',

где Ме'„Хт - галогенид металла во флюсе; /Ме" -

солей и соединений Ме'^Х^ входящих в состав флюса:

Ме'„ Хт <-> лМе' + тХ t

При реактивно-флюсовой пайке возмож­ ны также восстановление и растворение оксид­ ной пленки паяемых металлов и окислов, вхо­ дящих в состав флюса, водородом и фтором, которые образуются в процессе разложения гидридов и фторидов. Во флюс вводят ингиби­ торы коррозии, катализаторы химических ре­ акций и вещества-растворители для удаления продуктов реакции. Расплавленный металл, образующийся в результате реакций, смачивает паяемый металл или оксидную пленку на его поверхности и служит припоем либо, высажи­ ваясь в виде покрытия на паяемых металлах, облегчает процесс пайки, осуществляемый при помощи дополнительно вводимого припоя. Кроме того, проникая через несплошности2

оксидной пленки, он может контактно рас­ плавлять паяемый металл, облегчая отделение и диспергирование окислов. Термодинамиче­ ская вероятность протекания реакции восста­ новления металла из флюса тем выше, чем больше изменение свободной энергии, сопро­ вождающее химическую реакцию, т.е. разность изобаро-изотермических потенциалов соеди­ нений: AZMe/Xm - AZMe';Xm (значение

I А2Ме;х„ |).

Хлориды металлов нашли широкое при­ менение в качестве одного из основных компо­ нентов флюсов. При пайке титана, алюминия и магния используют хлориды серебра, меди, никеля, олова, цинка и т.д. Сравнительная ак­ тивность различных металлов может быть представлена рядом напряжений: Li, К, РЬ, Са, Na, La, Mg, Be, Al, Zn, Mn, Nb, Zr, Ti, Cr, Ga, Fe, Cd, Jn, Co, Ni, Mo, Pb, H, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au, в котором каждый предыдущий металл ряда вытесняет последующие элементы.

Наиболее широко реактивно-флюсовая пайка используется при соединении деталей из сплавов алюминия. Основу флюсов составляют хлориды цинка, олова, кадмия и других легко­ плавких металлов, которые хорошо смачивают оксидную пленку на поверхности детали и, проникая под нее, взаимодействуют с паяемым сплавом. Продукты реакции способствуют диспергированию и отделению оксидной плен­ ки. Восстановленный цинк вступает во взаимо­ действие с алюминием. Для предотвращения эрозии и повышения пластичности швов хло­ риды цинка заменяют хлоридами кадмия и олова или снижают его количество во флюсе до 1 %.

Многие сложные по составу флюсы не требуют дополнительного введения припоя, а выделяемое в процессе химической реакции тепло дополнительно активирует процесс. Олово при использовании для пайки алюминия в качестве основного компонента флюса SnCl2 облуживает алюминий и обеспечивает возмож­ ность дальнейшего применения припоев сис­ темы Sn-Al. В состав реакционных флюсов при пайке железа вводят окислы меди, марганца, серебра и никеля, которые при восстановлении образуют припой. В качестве восстановителей применяют гидриды. Окислы и гидриды меди, марганца, цинка, лития, бария, алюминия, маг­ ния и натрия подбирают таким образом, что уже при сравнительно низкой температуре они вступают в реакцию восстановления. В резуль­ тате экзотермической реакции образуются чис-

тые металлы, свободный водород и окисел металла.

Для пайки твердосплавных пластинок, содержащих карбиды титана, предложен флюс % (масс.): 48 NaHF2; 30 CoF2; фториды каль­ ция, цинка или олова - 10; NiF2 и (или) М о03 - 12. В процессе нагрева в этом флюсе Со, Ni, и Мо легко восстанавливаются до металлическо­ го состояния и сплавляются с паяемой поверх­ ностью. Фторид NaF очищает поверхность от окислов, жира и загрязнений. Фториды кадмия, цинка или олова защищают частицы карбидов в твердосплавных пластинках от окисления в процессе нагрева и способствуют растеканию припоя.

ДИФФУЗИОННАЯ ПАЙКА

Пайку, при которой затвердевание рас­ плава происходит при температуре выше температуры солидуса припоя без охлаждения из жидкого состояния, называют диффузион­ ной пайкой.

Процесс пайки начинается непосредст­ венно после завершения процесса растворения (/= *нас) паяемых материалов в шве, т.е. дости­

жения в шве состава с = с \ независимо от спо­

соба получения расплава в зазоре. Отвод лег­ коплавких компонентов из шва может осуще­ ствляться в результате взаимной диффузии в паяемые материалы, испарением в окружаю­ щую среду или связыванием их в тугоплавкие химические соединения. Принципиально воз­ можно сочетание всех трех механизмов. Наи­ более изучен и используется первый механизм - отвод легкоплавких элементов за счет диффу­ зии в паяемые материалы, который определяет скорость движения межфазных границ*, (/).

Диффузионная пайка обеспечивает полу­ чение наиболее равновесной структуры шва, повышает температуру распайки, увеличивает пластичность, коррозионную стойкость и жа­ ропрочность соединений за счет устранения в шве химической неоднородности, возникаю­ щей при кристаллизации. Для определения концентрационных полей, законов движения межфазных границ и времени завершения про­ цесса необходимо решить уравнение диффузии для фазы /, так как поток атомов металла А в фазу 2 отсутствует

при следующих начальных, граничных услови­ ях и условии массобаланса (см. рис. 2, б и рис. 7) на движущихся границах:

^12 = С2 ~С\

Скорость движения границ определяем из уравнения

А,, - cf -с,н

Преобразуем уравнение (27), введя под­

становку и = — , и решение в фазе I будем 2V/V

искать в виде ряда

c,(«) = c,p+ ^]/(„(erf и -e rf Р)"

Значения коэффициентов после преобра­

Л,=>Афехр(р2)Д|2- ^ — ;

Я|(С|Р)

А2 =7гехр(2р2)Р2А/,

Рис. 7. Схема распределения концентрации металла В при диффузионной пайке (Г= Г,)

(см. рис. 2, б):

/ - при / = 0; / / - при / = /«,н

1

ср £>, (с,р) ср

ния при растворении (/ = 0) равна я„, тогда время завершения процесса изометермической кристаллизации tKнаходится из уравнения

Из условия (26) с учетом первой поправ­ ки на концентрационную зависимость коэффи­

Уравнение (31) рассчитывают графически или по таблицам. Для этого, рассчитав значе­

ние / / ^ / ( Д 12£>,), находим (Р ) . Далее, по

графику на рис. 5, я определяем р и рассчиты­

Из анализа (28), (31) и (32) следует, что с ростом £>, и Р = / (Д,,/Д|2) увеличивается ско­ рость процесса i(t) диффузионной пайки, где

Дп характеризует растворимость металла В в металле А. Время завершения процесса легко определить из (28) для зазора анас = 2/нас (янас - зазор после насыщения, т.е- завершения про­ цесса растворения)

'«о„=/„2.с/(4Р2Д ) . (33)

где D, определяется из (2$\ ПРИ Dx = const

D\ = D{

Исследования показали, что для более точного моделирования процесса изотермиче­ ской кристаллизации необходим учет исходно­ го концентрационного профиля в твердой фазе с,(х, 0) = с, (JC, /нас) и концентрационной зави­

симости коэффициента дифФУзии А (о) [14]. Если исходная ширина швЗ в момент насыще­

Сравнение расчетов с эксперименталь­ ными данными показывает, что учет ширины диффузионной зоны на стадии растворения позволяет в зависимости от растворимости атомов В в твердой фазе Дм и отношения ко­ эффициентов диффузии в фазах Dx/D2 увели­ чить точность решения на 25 60 % [14].

Таким образом, основными параметрами процесса диффузионной пайки являются раз­ мер шва, температура и время процесса. Размер шва регулируется исходным зазором и может быть снижен за счет приложения давления. Скорость процесса может быть увеличена так­ же за счет факторов, ускоряющих диффузию в твердой фазе: термоциклирование, применение скоростного нагрева, создание дефектной структуры поверхностных слоев паяемых ма­ териалов. Для исключения образования интерметаллидов температуру пайки выбирают вы­ ше температуры плавления химического со­ единения.

Метод диффузионной пайки находит ши­ рокое применение при соединении деталей из алюминия, магния, сталей, активных и туго­ плавких металлов. Так, для пайки компактного и пористого алюминия разработана техноло­ гия, исключающая применение флюса и глубо­ кое проникновение припоя в поры паяемого металла. На паяемые поверхности наносят смесь порошков алюминия с 2 % Си, образую­ щих эвтектику с температурой плавления 550 °С. Пайку производят при 625 °С в среде водорода. Эвтектика в процессе пайки в тече­ ние 30 мин растворяется в паяемом металле, и граница раздела паяемых металлов исчезает.

Правильно подбирая двойные, тройные и четверные системы, можно с успехом паять детали из железа и меди, изготовленные мето­ дом порошковой металлургии. При пайке маг­ ния и его сплавов (520 570 °С) в среде арго­ на в качестве припоя используется серебро в виде покрытия, наносимого при помощи ион­ ного напыления, которое способствует удале­ нию оксидной пленки и на порядок снижает время пайки за счет дефектности поверхност­ ного слоя. Термоциклирование (циклический нагрев до температуры пайки с последующим охлаждением на 100 °С ниже солидуса припоя) позволяет также снижать общее время пайки в

1,5 раза, а время выдержки при температуре пайки - в 6 раз.

Анализ соединений титана через покры­ тие с медью и никелем, образующих эвтектику с титаном, показал, что при диффузионной пайке предел прочности соединения при испы­ тании на срез в 3 - 4 раза выше, чем при использовании серебра. В процессе пайки в шве образуются твердые растворы на основе титана. Ширина зон, структура и их свойства зависят от режима пайки [7].

В случае использования медного покры­ тия (0,015 мм) при 1000 °С после 40 мин вы­ держки прослойка эвтектики исчезает. Шов состоит из твердого раствора меди в a-Ti и включений Ti2Cu Прочность стыковых соеди­ нений достигает 392 588 МПа, температура распайки 1190 °С.

При пайке коррозионно-стойкой стали с бронзой БрХ08 на сталь наносили никелевое

поджатия 2,4 МПа - обеспечивает получение соединений, равнопрочных бронзе, и совмеща­ ет диффузионную пайку с закалкой коррозион­ но-стойкой стали.

Увеличение температуры распайки явля­ ется решающим фактором в выборе диффузи­ онной пайки как способа соединения тугоплав­ ких материалов. В [6] приведены системы припо­ ев, типичные режим пайки и температура распай­ ки соединений тугоплавких металлов и сплавов. Для предотвращения пористости, возникающей в результате эффекта Киркендалла, зазоры при диффузионной пайке стремятся выбирать мини­ мальными. Широкие возможности формирования в шве структуры с требуемым комплексом экс­ плуатационных свойств открываются при сочета­ нии диффузионной пайки с использованием ком­ позиционных припоев.

НЕКАПИЛЛЯРНАЯ ПАЙКА

Пайка, при которой расплавленный при­ пой заполняет паяльный зазор под действием внешних сил без заметного участия капилляр­

единяемым кромкам заготовок придается фор­ ма, подобная разделке кромок при сварке плав­ лением, называется пайко-сваркой. Этот вид пайки обычно используют для изделий из чу­ гуна и выполняют припоями из латуни с до­ бавками Si. Mn, Р и А1. При соединении изде­

лий толщиной более 4 мм рекомендуется V-об- разная разделка кромок под углом 70 90°, чугун желательно предварительно подогревать до 250 °С. При пайке медных труб диаметром более 50 мм применяют ацетилено-кислород­ ное пламя с вдуванием через сопло легкоиспаряющегося флюса с использованием серебря­ ного припоя. Применение электродугового, газопламенного и плазменного нагрева являет­ ся наиболее распространенным способом полу­ чения паяно-сварных соединений сплавов на основе Al, Си. Fe. Be. тугоплавких металлов и др.

Соединение разнородных металлов за счет расплавления более легкоплавкого метал­ ла и смачивания им поверхности более туго­ плавкого металла называется сварко-пайкой. Необходимая температура подогрева поверх­ ности тугоплавкого металла достигается за счет регулирования величины смещения элек­ трода от оси шва к более тугоплавкому метал­ лу. Особенности формирования соединения при некапиллярной пайке изучены для сочета­ ний Zr + Ti, Zr + Nb, Nb + Ti, Nb + V Химиче­ ский состав металла шва и очертания границ сплавления определяются кинетикой растворе­ ния кромки тугоплавкого металла [4]. Если образование соединения происходит между металлами, на диаграмме плавкости которых имеется минимум, усредненный состав шва можно определить, проводя горизонталь от температуры плавления более легкоплавкого металла В до пересечения с линией ликвидуса более тугоплавкого. Этот состав, отвечающий

равновесной растворимости с'2 (см. рис. 4, а)

при температуре плавления более легкоплавко­

го металла (например, для Zr с Nb с, = 40

50 % Zr), будет определять состав большей части шва и состав шва в области, приле­ гающей к более тугоплавкому металлу (Nb). Со стороны более легкоплавкого металла (Zr) состав шва определяется составом спла­ ва, имеющего меньшую температуру плавле­

ния на диаграмме (с'3 = 20 30 % Nb). Рас­

слоение жидкости наблюдается во всех слу­ чаях и не зависит от режима процесса. Про­ тяженность области сплавов, имеющих наи­ более низкую температуру плавления, зависит от толщины соединяемых металлов, смещения электрода А, зазора а и изменяется от 0.08 до 1,5 мм и более.

Для соединений металлов, не имеющих на диаграмме плавкости точек перегиба (на­ пример. Ti + Nb). характер расслоения в шве

ванны, турбулентными потоками в ней, зависит от погонной энергии, определяющей значение Г2, смещения электрода А и наблюдается на всех режимах пайки. Вследствие неравновесности протекающих процессов, обусловленных большими скоростями взаимодействия при пайке, не всегда правомерно использовать рав­ новесную диаграмму состояния. В неравновес­ ной диаграмме линия ликвидуса сдвигается в сторону линии солидуса, поэтому при анализе

химического состава необходимо точку с\

сдвигать к с\ (см. рис. 4, а). Соединения цир­

кония и титана с ниобием обладают высокими механическими свойствами [4], что обусловле­ но отсутствием в паяном шве хрупких химиче­ ских соединений и эвтектик.

КОМПОЗИЦИОННАЯ ПАЙКА

Технологический процесс применения ком­ позиционных припоев, имеющих структуру псевдосплава, или формирование в шве компо­ зиционной структуры с требуемым комплек­ сом эксплуатационных свойств, называется композиционной пайкой.

Отличительная особенность композици­ онного материала (припоя, шва) заключается в том, что совместная работа разнородных мате­ риалов, входящих в его состав, в процессе экс­ плуатации дает эффект, равноценный созданию нового материала. Композиционная пайка как способ объединяет основные технологические возможности, физико-химические и кинетиче­ ские особенности способов пайки. Наполни­ тель композиционного припоя в виде порошка, сетки, волокон образует разветвленный капил­ ляр, удерживающий большую часть жидкого припоя (матрицы), излишками которого осу­ ществляется смачивание поверхностей паяе­ мых материалов.

В [3, 6] рассмотрены возможности и пер­ спективы применения композиционных мате­ риалов при пайке. Композиционная структура в шве может быть получена за счет применения композиционного припоя, при диспергирова­ нии паяемых материалов или в процессе диф­ фузионной пайки. Наполнитель в припое в большинстве случаев обеспечивает основные физико-механические, в частности прочност­ ные, свойства паяного соединения. Матрица может вводиться в припой в виде порошков или покрытий, которые наносятся на паяемые

поверхности. По способу введения в зазор композиционные припои подразделяются:

1)на применяемые в виде многослойных покрытий;

2)на используемые в виде фасонных или простых профилей (фольг, лент, втулок и т.д.), получаемых методами порошковой или волок­ нистой металлургии в сочетании с обработкой давлением (прокатка, штамповка после про­ питки матрицей порошков или волокон), а также методами нанесения покрытий на про­ фили и т.д.;

3)на применяемые в виде смеси порош­ ков или паст, которые обычно вводят в зазор непосредственно перед пайкой;

4)на комбинированные способы - соче­ тания приведенных выше видов.

Теоретический и экспериментальный ана­ лизы показывают, что волокна являются наи­ более эффективным упрочнителем. Эффектив­ ность упрочнения (коэффициент упрочнения), определяемая отношением пределов текучести

композиционного к неармированному мате­ риалу, зависит от отношения длины к диаметру волокна, средней прочности и его объемного содержания. Значения коэффициента упрочне­ ния для данного класса материалов достигают 40 50. Матрица действует как среда, пере­ дающая напряжение, а эффект упрочнения определяется свойствами волокон. Коэффици­ ент упрочнения материала частицами зависит от их дисперсности, объемной доли, равномер­ ности распределения и определяется в основ­ ном способностью тормозить движения дисло­ кацией. Коэффициент упрочнения, составляю­ щий 5 30, характерен для дисперсных сис­ тем с размером частиц d4 < 0,1 мкм. В керметах, состоящих из мелких керамических частиц с dH= 0,1 10 мкм в металлической матрице, коэффициент упрочнения изменяется от 5 до 0,5. Упрочнение дисперсными частицами наиболее эффективно при работе в области повышенных температур. Наибольшие проч­ ность и стабильность структуры при повышен­ ных температурах характерны для материалов, армированных волокнами, так как у них мень­ ше свободная поверхностная энергия и соответ­ ственно ниже склонность к псрестариванию.

Наполнитель, как и матрицу, выбирают из эксплутационных требований. Основное требование к матрице сводится к обеспечению качественного смачивания наполнителя и паяемых поверхностей. Матрица по возможно­ сти должна быть инертна к наполнителю, об­ ладать достаточным уровнем пластичности и

вязкости, не образовывать хрупких соединений при взаимодействии с паяемыми материалами, иметь более низкий модуль упругости по срав­ нению с наполнителем и температуру плавле­ ния, превышающую температуру работы изде­ лия. Коэффициент относительной жаропрочно­ сти Граб/Гпл для традиционных никелевых спла­ вов составляет 0,76 7^, а для дисперсионноупроченных никелевых сплавов - не менее 0,9 Тпп (Граб > 1200 1300 °С). По геометрии уп­ рочняющих компонентов композиционные припои могут быть с одномерными компонен­

слоистые материалы); с нульмерными компо­ нентами (материалы, армированные частицами различной дисперсности).

В настоящее время выделяют три основ­ ных способа применения композиционных при­ поев и получения композиционной структуры паяных швов.

Первый способ - характеризуется приме­ нением припоя, сохраняющего композицион­ ную структуру в шве после пайки. Обычно методами волокнистой металлургии получают губчатообразную сетку, состоящую из сталь­ ных волокон диаметром 10 мкм и более (длина волокна в 20 раз больше диаметра). Сетку спе­ кают, пропитывают расплавом припоя и прока­ тывают до нужной толщины (0,05 мм и более). Объемная доля волокна более 10 20 %. По­ лученную ленту припоя укладывают на соеди­ няемые поверхности, которые собираются с зазором или без зазора, и производят пайку. В качестве припоя используют сплавы 70 % РЬ-30 % Sn и др. Сетку, волокна можно также помещать в зазор а > 1 мм с последующей опера­ цией частичного спекания или без него. Припой (матрица) укладывается около зазора и в процессе пайки пропитывает пористый материал.

Аналогично производят пайку с исполь­ зованием смеси порошков. Применение смеси порошков позволяет паять материалы с боль­ шими зазорами и соединять разнородные мате­ риалы с резко различающимися значениями термического коэффициента линейного расши­ рения, снижать напряжения в шве при пайке инструмента, регулировать степень растекания припоя, паять пористые материалы с компакт­ ными, а также тонкостенные конструкции, исключая эрозию паяемых материалов. Фор­ мирование соединения в этом случае включает подготовительную стадию - заполнение зазора, и основную - формирование шва в процессе смачивания наполнителя и паяемых поверхно­

стей, пропитки и жидкофазного спекания с последующей кристаллизацией (в отдельных случаях - изотермической). В качестве напол­ нителя применяют порошки Си, Fe, Ni, Со, А120 3, TiC и др. Матрицей обычно служат при­ пои стандартных составов, например систем Pb-Sn, Cu-Ni-Mg, Ni-Cr-Si и др. [3].

Второй способ - характеризуется полу­ чением в шве композиционной структуры в процессе диффузионной пайки или дисперги­ рования, причем исходный припой может не иметь композиционной структуры. При пайке жаропрочных никелевых сплавов, например Udimet 700, % (масс.): Ni-15, Сг-18,5, Со-5, Mo-4,3, Al-3,3, Ti-0,07, С-0,03. Основу припоя составляет сплав, аналогичный основе паяемо­ го металла. При этом из него исключены титан и алюминий, образующие хрупкие соединения на межфазных границах, и введен бор (до 3 %). Рас­ плав припоя состава, % (масс.): N i-15; Сг-15; Со-5; Мо-2,5; В - вводится в зазор 0,025 ... 0,1 мм. В процессе диффузионной пай*и при темпера­ туре 1150 °С, совмещенной с отжигом в тече­ ние 24 ч, происходит легирование шва Ti и А1 и выравнивание состава и структуры за счет выпадения в шве у'-фазы типа Ni3(AlTi). Обра­ зующиеся паяные соединения равнопрочны паяемому материалу при температуре 980 °С [8].

Диспергирование поверхностного слоя материала под действием расплава является одним из перспективных методов композици­ онной пайки и получения композиционных покрытий. На основании анализа кинетики и механизма диспергирования установлено, что системы металл - расплав, представляющие наибольший практический интерес, относятся к системам второго типа. В этих системах, в соответствии с термодинамическим критерием оду < 2GSL, проникновение припоя по границам зерен и, соответственно, диспергирование дол­ жны отсутствовать (а.уу - энергия границы зер­ на, aSL- межфазная энергия).

При оптимальном температурно-времен- нбм режиме для проникновения расплава по границам зерен в металлических системах вто­ рого типа необходимо соблюдение двух усло­ вий: наличие пластически деформированного поверхностного слоя и присутствие кислорода (или другого межфазно-активного вещества), адсорбированного на границах зерен.

В случае адсорбции кислорода на границах зерен энергия границ уменьшается: ст^° « 2OSL*- В процессе растворения кислорода с границ зерен в припое и его последующей хемосорб­

ции на межфазной границе при оптимальной температуре пайки знак неравенства обращается и система становится системой первого типа:

o Ss ° > 2оа *, Css° > <*SS*. G.SL* < G S L ,

где Oss° - энергия границ зерна после раство­ рения кислорода; G SL * - межфазная энергия после хемосорбции кислорода на межфазной границе.

В зависимости от количества жидкой фа­ зы зерна, переходящие в расплав, могут обра­ зовывать непрерывный каркас или быть ра­ зобщены. Изменяя соотношение межфазных характеристик, можно менять форму зерен от округлых до многогранных. С учетом приня­ тых обозначений движущая сила проникнове­ ния расплава по границам зерен имеет вид:

/ д . = ass° + Oss" - 2 O S L * ,

где а у / учитывает вклад упругой энергии ос­ таточных напряжений, локализованных в об­ ласти границ после пластической деформации поверхностного слоя. Экспериментально уста­ новлено, что при глубине резания 3,5 мм хими­ чески активных металлов толщина поверхно­ стного деформированного слоя составляет 15 20 мкм, который при температуре Т> Ткр переходит в расплав в процессе диспергирова­ ния.

Исследование вклада диспергирования в ме­ ханические свойства паяных соединений сплава W-3Ni-2Cu припоем системы Ni-Mn-Cr-Co пока­ зало, что интенсивность эффекта зависит от характера напряженного состояния поверхно­ сти сплава, температуры пайки и ширины зазо­ ра. Наиболее интенсивно эффект проявляется при Ткр > 1300 1320 °С (выдержка 10 15 мин, зазор 0,05 мм). В этом случае частицы W размером < 10 мкм заполняют практически всю ширину шва. Из анализа математической модели [15] следует, что вклад в упрочнение шва от диспергирования в 2 раза выше, чем от дисперсных частиц, вводимых в припой для повышения жаропрочности (0,16 % В - 0,37 % Zr - 0,3 % WC). При этом длительная жаро­ прочность соединений в десятки раз выше, чем при пайке припоем ПЖК-35. Эффект диспер­ гирования проявляется и в системах с ограни­ ченной растворимостью (например, Fe-Cu), особенно при использовании локальных источ­ ников нагрева. В тех случаях, когда возможна растворимость твердой фазы в припое, сущест­ венное упрочнение может быть достигнуто вследствие «сращивания» соединяемых по­ верхностей в процессе жидкофазного спекания частиц, перешедших в зазор.

Третий способ - пайка припоями, обес­ печивающими получение в шве структуры твердых растворов, необходимой в условиях воздействия агрессивных сред, циклических нагрузок и сверхнизких температур. В этом случае композиционные припои используются в виде многослойных фольг, покрытий, по­ слойного нанесения порошков, сеток в сочета­ нии с ленточным или порошковым припоями. Для снижения температуры пайки компоненты слоев подбирают таким образом, чтобы в про­ цессе контактного плавления происходило образование жидкой фазы, обеспечивающей смачивание и растворение паяемых материа­ лов, покрытий, буферных прослоек и легиро­ вание шва, что придает соединению высокие механические и коррозионные свойства.

Как было установлено автором этой гла­ вы, одним из эффективных методов повыше­ ния прочности при температуре пайки, не превышающей температуру разупрочнения паяемых металлов (Тп < 7^), является целена­ правленное легирование соединяемых поверхно­ стей за счет нанесения покрытий из элемен­ тов с высоким модулем упругости. На примере пайки стали 12Х18Н10Т с жаропрочными ста­ лями припоями системы Cr-Ni-Mn показана эффективность применения многослойных ком­ позиционных припоев (при 7;= 1150 °С, 30 мин). Нанесение Сг (6 мкм) на обе паяемые поверхно­ сти и использование Ni (20 мкм) и Мп (35 мкм)

ввиде покрытий обеспечили:

1)снижение температуры пайки на 50

100 °С за счет контактного плавления Ni с Мп и совмещение ее о оптимальной температурой термообработки сталей;

2)распределение компонентов припоя в виде покрытий с суммарной толщиной слоев

<80 мкм, что устраняет заплавление охлаж­ дающих каналов теплообменника;

3)повышенную после пайки концентра­ цию хрома в области межфазных границ и в цен­ тральной части шва, что позволило получать

Тп< Т’кр [16].

Одной из принципиальных особенностей способа является нанесение избыточного коли­ чества хрома над его равновесной растворимо­ стью в расплаве Ni-Mn при Тп. В процессе изо­ термической выдержки хром из остатков по­ крытия диффундирует в основной металл, обеспечивая его повышенную концентрацию (до 18 20 % масс.) в области спаев.

Для получения прочных паяных соедине­ ний из титановых сплавов применяют покры­

сложные покрытия Cu-(Co-Ni)-Cu (ав« 660 МПа) 950 1000 °С, 15 16 мин. Дальнейшее уве­ личение прочности до 870 МПа (при 980 °С, 120 мин) достигнуто при использовании по­ крытия 80 Си + 20 Ni. Введение никеля снижа­ ет количество интерметаллидной фазы Ti3Cu. Шов состоит из твердого раствора а-титана и небольшого количества равномерно распреде­ ленных включений Ti3Ni, легированных ме­ дью. При пайке ниобия с медью и ниобия со сталью 12Х18Н10Т для снижения хрупкости предложены многослойные композиционные проставки, позволяющие регулировать количе­ ство жидкости за счет ограничения содержания активного металла (фольга из титана), разме­ щенного в шве. Прочность шва, имеющего струк­ туру твердого раствора системы Cu-Ni-Nb, близ­ ка к прочности паяемых материалов. Для огра­ ничения растекания припоя и запаивания узких каналов при пайке гофрированных или оребренных конструкций перспективно применение двухслойного композиционного припоя, со­ стоящего из сетки, и припоя в виде фольги или смеси порошков.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Вершок Б. А., Новосадов В. С. Расчет нестационарной кинетики и процесса контакт­ ного плавления // Физика и химия обработки материалов. 1974. № 2. С. 61 - 65.

2. Калинин М. М., Новосадов В. С., Гржимальский Л. Л. Пайка вольфрамового сплава ВНМ-3-2 / В кн.: Пайка и ее роль в по­ вышении качества продукции и эффективности производства. М.: НТО Машпром, 1976. 312 с.

3. Новосадов В. С., Масленникова Л. П., Юдин В. В. Опыт применения композиционных материалов в радиоэлектронике. Л.: ЛДНТП, 1976. 24 с.

4.Новосадов В. С., Шоршоров М. X.

Особенности формирования и механические свойства разнородных соединений сплавов циркония, титана и ниобия при аргонодуговой сварке // Физика и химия обработки материа­ лов. 1968. № 2. С. 92 -100.

5.Савицкая Л. К. Расчет скорости кон­ тактного плавления эвтектических систем // Известия вузов. Физика. 1962. № 6. С. 11-13.

6.Способы пайки / В кн.: Справочник по пайке / Под ред. С. Н. Лоцманова, И. Е. Петрунина, В. Н. Фролова. М : Машиностроение, 1975. 306 с.

7.Черницын А. И., Куфайкин А. Я., Расторгуев Л. Н. Струкгура и фазовый состав переходной зоны, образующейся при диффузи­ онной пайке титана / В кн.: Технология и обо­ рудование высокотемпературной пайки. М.: МДНТП, 1973.316 с.

8.Dwall D. S., Owczarki W. A., Paulouis

D. F. «TLP» Bouding a new Method for Joining Heat Resistant alloys. Welding Journal, 1974, v. 53, N 4, p. 203-214.

9.Новосадов В. С. Влияние зазора на структуру и химический состав шва. Аномалия растворимости в малых зазорах / В сб.: Пайка - 2000. Мат. междунар. науч.-техн. конф. Толь­ ятти: ТПИ, 2000. С. 7 -1 7 .

10.Новосадов В. С., Журавлев С. П.

Кинетика процесса растворения в зазоре с уче­ том потока в твердую фазу / В кн.: Физика межфазных явлений. Нальчик: Кабард.-Балкар. книжн. изд-во, 1984. С. 107 - 116.

11.Новосадов В. С., Журавлев С. П., Костиков В. И. Растворение в зазоре с учетом граничной кинетики / В сб.: Прогрессивные методы в пайке. Киев: Ин-т электросварки им. E. О. Патона. АН УССР. С. 18 - 30.

12.Новосадов В. С., Журавлев С. П.

Феноменологическая модель процесса раство­ рения при капиллярной пайке в малых зазорах /

Всб.: Адгезия расплавов и пайка материалов. 1989. № 22. С. 6 6 -7 2 .

13.Феноменологическая модель про­ цессов массообмена на межфазной границе с учетом граничной кинетики / В. С. Новосадов, К. П. Гуров, С. П Журавлев, М. X. Шоршоров / Физика и химия обработки материалов. 1986. №5. С. 119-125.

14.Новосадов В. С., Журавлев С. П., Нурова Д. Р. Феноменологическая модель изотермической кристаллизации паяного шва (диффузионная пайка) с учетом исходной диф­ фузионной зоны / В кн.: Инженерные методы обеспечения безопасности полетов при ремон­ те авиационной техники гражданской авиации. М.: Высшая школа, 1986. С. 124130.

15.Новосадов В. С., Калинин М. М.

Формирование композиционной структуры в шве в процессе диспергирования при пайке металлов // Физика и химия обработки мате­ риалов. 1987. № 5. С. 105-112.

16.Юдин В. В., Новосадов В. С., Чер­ нятин В. В. Применение трехслойного покры­ тия хром-никель-марганец в качестве элемен­ тов припоя для пайки нержавеющих сталей /

Всб.: Механизация и автоматизация процессов пайки: Науч.-техн. семинар (Москва, 1976). М.: Знание, 1976. С. 89 -9 3 .